Pierwsze życie i następne życie

Kierowca wyłączył silnik swojego dudniącego transportera wojsk rosyjskich na skraju głębokiego kanionu wyrzeźbionego przez strumień lodowatej wody. Nasza mała grupa badawcza – w skład której weszli studenci Stanford Jamie i Meaghan, podoktorzy Jan i Jake z Carnegie Institution w Waszyngtonie oraz nasz przewodnik Vladimir – wyszli z ciężarówki na mile widziany odcinek po wstrząsającej pięciogodzinnej jeździe z Pietropawłowska. Potem zarzuciliśmy nasze plecaki na ramiona i zaczęliśmy się wspinać, przebijając się przez ubity śnieg i lód między głazami wielkości domu. Kiedy zatrzymaliśmy się, żeby zaczerpnąć oddechu i spojrzeliśmy w dół, mogliśmy zobaczyć, jak popiół i lawa wypływająca z poprzednich erupcji erodowała na wzgórza i doliny, z rozrzuconymi kępami niskich krzewów na osłoniętych obszarach daleko poniżej. Horyzont wyznaczał postrzępiony wulkaniczny krajobraz Kamczatki. Nad nami wznosił się nasz cel: wysadzony w powietrze szczyt Mutnowskiego, wulkan, który wybuchł zaledwie kilka lat wcześniej.

Dwie godziny później i 2000 stóp wyżej, wyjrzeliśmy ponad krawędź krateru. Trudno było pojąć chaos pod nami. W tym krajobrazie czarno-szarej skały nie było nic żywego poza naszą sześcioosobową ekipą. Mały lodowiec po drugiej stronie wtapiał się w krater, a odległe ryczące dźwięki emanowały z głębi, gdy para unosiła się w błękitne niebo. Ziemia, powietrze, ogień i woda, pomyślałem – starożytne pierwiastki, zebrane tutaj, w dalekowschodniej Rosji, poruszone energią cieplną, która pozostała z początku historii naszej planety. Z wyjątkiem lodowca to miejsce wydawało się pozostałością z tamtych czasów – modelem tego, jak wyglądała Ziemia cztery miliardy lat temu, zanim zaczęło się życie. Zeszliśmy do krateru, czasami nosząc maski przeciwgazowe, aby chronić płuca przed żrącymi gazami.

Ta historia była częścią naszego wydania z maja 2009

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Moje prace terenowe na Kamczatce były wspierane przez grant NASA, a naszym głównym celem było lepsze zrozumienie warunków geochemicznych związanych z pochodzeniem życia na Ziemi i być może na Marsie. Wcześniejsze publikacje w czasopismach rosyjskojęzycznych donosiły, że związki organiczne, w tym aminokwasy, były obecne we wrzących źródłach i oparach wulkanów na Kamczatce. Wszyscy zgadzają się, że pochodzenie życia wymagało źródła związków organicznych, ale nikt tak naprawdę nie wie, jakie mogło być pierwotne źródło. Jedną z możliwości jest to, że większość związków została wyprodukowana w wyniku syntezy geochemicznej w regionach wulkanicznych na początku historii Ziemi i byłby to prawdziwy przełom, gdybyśmy mogli wykryć podobne reakcje w dzisiejszych wulkanach.

Drugim celem było w zasadzie zabezpieczenie mojego zakładu. A jeśli dotarliśmy aż na Kamczatkę i nie znaleźliśmy żadnych związków organicznych? To byłoby żenujące. Z tego powodu przywiozłem ze sobą mieszaninę związków podobnych do tych, o których myśleliśmy, że mogły być dostępne cztery miliardy lat temu, aby rozpocząć życie: cztery aminokwasy, kwas tłuszczowy, fosforan, glicerol i cztery zasady kwasu nukleinowego. Wiedzieliśmy, że w warunkach laboratoryjnych składniki te mogą reagować, tworząc bardziej złożone związki związane ze strukturami molekularnymi i funkcjami charakterystycznymi dla życia. Zaproponowałem dodanie ich do basenu wulkanicznego, aby zobaczyć, co się stanie. Większość moich kolegów uważa, że ​​tego rodzaju eksperyment jest trochę głupi, ponieważ warunki są tak niekontrolowane, ale myślę o tym jako o weryfikacji rzeczywistości. Możemy uzyskać ciekawe reakcje do pracy w laboratorium, ale co jeśli przeoczymy coś, co staje się widoczne dopiero wtedy, gdy próbujemy symulować te reakcje w środowisku naturalnym?

Symbioza i biologia syntetyczna
Kiedy po raz pierwszy zacząłem słyszeć ten termin astrobiologia kilka lat temu brzmiało to dziwnie niespójnie. A potem pojawiła się kolejna nowa dyscyplina, która była jeszcze bardziej naciągnięta: Biologia syntetyczna . Ale tak właśnie rozwija się nauka – poprzez rodzaj symbiozy między pozornie niepowiązanymi ze sobą dyscyplinami, w których tradycyjna biologia i chemia stają się biochemią, a biologia i fizyka stają się biofizyką. Zacząłem swoją karierę od tradycyjnych badań biofizycznych nad błonami, ale teraz niektóre z moich badań są finansowane przez program astrobiologii NASA, a wiele z naszych eksperymentów można określić mianem biologii syntetycznej: zastosowania technik inżynierskich do projektowania lub przeprojektowywania funkcji i systemów biologicznych.

Dziedzina biologii syntetycznej jest teraz gorąca, ponieważ jej metody są potencjalnie bardzo potężne. Biolodzy syntetyczni wiedzą wystarczająco dużo o żywych systemach, aby w użyteczny sposób zmieniać programy genetyczne, tak jak doświadczeni programiści zmieniają oprogramowanie. Ale co takiego zaawansowana technologicznie nauka ma wspólnego z wulkanami i pochodzeniem życia? Louis Pasteur powiedział kiedyś, że przypadek sprzyja przygotowanemu umysłowi; bardzo często nawet najbardziej podstawowe badania dają niewyobrażalne zastosowanie. Na przykład jednym z najpotężniejszych narzędzi biologii molekularnej jest reakcja łańcuchowa polimerazy (PCR), która służy do amplifikacji DNA, czyli tworzenia wielu kopii danej sekwencji. W PCR cykle ogrzewania i chłodzenia łączą się z syntezą DNA przez polimerazę, enzym, który katalizuje budowę dużych cząsteczek (polimerów) z małych cząsteczek (monomerów). Kary Mullis wpadł na ten pomysł w 1983 roku, po raz pierwszy używając polimerazy ze zwykłej E coli bakterie, ale potrzebna była polimeraza, która mogłaby przetrwać temperatury bliskie wrzenia. W 1965 – w całkowicie niepowiązanych badaniach – Thomas Brock odkrył prymitywną bakterię, którą nazwał Thermus aquaticus , żyjący w wulkanicznych gorących źródłach Parku Narodowego Yellowstone. Ten organizm jest pierwotnym źródłem odporności na ciepło Taq polimeraza stosowana obecnie we wszystkich komercyjnych urządzeniach do PCR.

Jeśli zastosujemy się do rady Pasteura, możemy zwiększyć szanse na więcej takich przypadkowych odkryć. W szczególności możemy przygotować nasze umysły, poszerzając zakres biologii syntetycznej o badania nad pochodzeniem życia. Zacznę od opisania naturalnej wersji biologii syntetycznej; następnie pokażę, w jaki sposób nasze rosnące zrozumienie mechanizmów molekularnych życia sugeruje sposób na odtworzenie pochodzenia życia w laboratorium.

Pierwsze życie: biologia syntetyczna na wolności
Aby zająć się kwestią pochodzenia życia, musimy mieć jakieś pojęcie o tym, jak wyglądała Ziemia cztery miliardy lat temu. Istnieją dobre dowody na to, że oceany już istniały, poprzedzając życie o kilkaset milionów lat. Oceany były słone, prawdopodobnie nieco kwaśne, z wulkanicznymi masami lądowymi wznoszącymi się ponad poziom morza. Opady na tych wyspach wytworzyły stawy słodkowodne, więc środowisko morskie nie jest jedynym, w którym mogło rozpocząć się życie. Atmosfera była mieszaniną dwutlenku węgla i azotu, z niewielką ilością tlenu lub bez niego, a średnia globalna temperatura wynosiła od 60 do 70 °C, znacznie wyższa niż dzisiejsze 15 °C. Tak więc pierwsze formy życia prawdopodobnie przypominały termofilne bakterie, które dziś zamieszkują gorące źródła.

Jak mogło zacząć się życie w tak mało obiecującym środowisku? Karol Darwin czasami się nad tym zastanawiał, choć był zbyt konserwatywny, by publicznie spekulować o pochodzeniu życia. W prywatnym liście do swojego przyjaciela Josepha Hookera napisał: Ale gdyby (i och! co za wielkie, jeśli!) moglibyśmy począć dziecko w jakimś ciepłym małym stawie, z wszelkiego rodzaju solami amoniaku i fosforu, światłem, ciepłem, elektrycznością itp. .. skoro związek białkowy powstał chemicznie gotowy do poddania się jeszcze bardziej złożonym zmianom, w dzisiejszych czasach taka materia byłaby natychmiast pochłonięta lub wchłonięta, co nie miałoby miejsca przed powstaniem żywych istot. A jego wspaniała książka O powstawaniu gatunków w jednym zdaniu dotyka pytania: Patrząc na pierwszy świt życia, kiedy wszystkie istoty organiczne, jak możemy sądzić, przedstawiły najprostszą strukturę, w jaki sposób, zapytano, może pojawiły się pierwsze kroki w zaawansowaniu lub zróżnicowaniu części?

Mniej wymownie, co byłoby potrzebne do rozpoczęcia ewolucji życia? Przede wszystkim ewolucja działa na populacjach, a nie na pojedynczych organizmach, dlatego musimy znaleźć sposób na wygenerowanie dużej liczby układów molekularnych w środowisku prebiotycznym. Co więcej, ich właściwości muszą być bardzo zróżnicowane. Wymóg zmienności w obrębie populacji oznacza, że ​​pierwsze formy życia zdolne do ewolucji nie mogą być przypadkowymi mieszaninami replikujących się cząsteczek, niezdolnych do złożenia się w odrębne jednostki; zamiast tego byłyby systemami oddziałujących ze sobą molekuł zamkniętych w czymś w rodzaju komórki.

Swego rodzaju laboratorium: Autor pobiera próbki wrzących fumaroli w kraterze góry Mutnowskiego na Kamczatce w Rosji

Systemy musiałyby wykazywać dwie podstawowe funkcje życiowe: wzrost i reprodukcję. Komórki rosną, pobierając składniki odżywcze – proste molekuły ze środowiska. Wykorzystują energię do łączenia tych cząsteczek w polimery, które nazywamy białkami i kwasami nukleinowymi. Reprodukcja wymaga mechanizmu, dzięki któremu informacja genetyczna może być przechowywana, a następnie replikowana, tak aby informacja w postaci genów mogła być przekazywana dalej. Ale przekazywanie informacji jest z konieczności niedoskonałe. Musi wystąpić pewna liczba błędów – mutacji – aby wytworzyć wariacje w populacji, takie jak te, które umożliwiły prymitywnemu życiu eksplorację różnych nisz i rozpoczęcie ewolucji w kierunku wspaniałej biosfery dzisiejszej Ziemi.

Mówimy o formach życia znacznie prostszych niż nawet najbardziej prymitywne bakterie, jakie istnieją obecnie. Jak jednak jakiekolwiek komórki mogą spontanicznie powstać z przypadkowych mieszanin prostych cząsteczek organicznych? Perspektywa jest tak oszałamiająca, że ​​kilku naukowców stwierdza kategorycznie, że nigdy nie zrozumiemy, jak do tego doszło. Jestem bardziej optymistyczny. Ale próba odkrycia, jak zaczęło się życie, to ciężka praca, bez pewności, że kiedykolwiek znajdziemy odpowiedzi. Musimy formułować i testować hipotezy oraz chcieć zapuszczać się na rozległe niezbadane terytorium. Pokrótce opiszę niektóre z kamieni milowych tej podróży. Kiedy je uznamy, możemy zacząć budować logiczną klatkę, która krępuje spekulacje i prowadzi nas do odpowiedzi.

Pierwszy kamień milowy: Źródło organicznych monomerów
Cztery podstawowe odmiany biocząsteczek to aminokwasy i białka, węglowodany, kwasy nukleinowe i lipidy. Nie ma wątpliwości, że w środowisku prebiotycznym występowały podobne, a nawet identyczne związki organiczne. Taki był wniosek ze słynnego eksperymentu Stanleya Millera z wczesnych lat pięćdziesiątych, w którym wystawiał mieszaniny zwykłych gazów na wyładowania elektryczne i obserwował tworzenie się aminokwasów. Od tego czasu praktycznie wszystkie pierwotne związki węgla z życia zostały zsyntetyzowane w symulacjach prebiotycznych.

Wyniki badań symulacyjnych zostały mocno poparte, gdy niezwykły meteoryt spadł na Ziemię w pobliżu Murchison w Australii we wrześniu 1969 roku. Było jasne, że meteoryt zawierał materię organiczną, ponieważ dziwny zapach wydobywał się z gorących powierzchni. Czterdzieści lat później, kiedy mielę próbki Murchisona w laboratorium, z zaprawy unosi się ten sam zapach – jednocześnie pylisty, oleisty i kwaśny. To pradawny zapach, starszy niż sama Ziemia, przechowywany przez pięć miliardów lat w komecie lub asteroidzie, z której powstał pierwotny meteoryt.

Istnieją tysiące związków organicznych obecnych w meteorycie Murchison i innych meteorytach węglowych, które zostały przeanalizowane – potwierdzając eksperyment Millera, pokazując, że biologicznie istotne związki organiczne są w rzeczywistości wytwarzane w procesach niebiologicznych. To sprawia, że ​​prawdopodobne jest, że związki organiczne były obecne na prebiotycznej Ziemi, albo zostały zsyntetyzowane w procesach geochemicznych, albo dostarczone jako opad meteorytowy i kometarny ponad cztery miliardy lat temu.

Drugi kamień milowy: samodzielny montaż przegródek i protokomórek
Jednostką całego dzisiejszego życia jest komórka. Moje doświadczenie badawcze dotyczy biofizyki błon, a swoją karierę rozpocząłem od badania błon lipidowych, które są podstawowymi granicami definiującymi żywe komórki. Dwadzieścia lat temu, kiedy zdobyłem kamień wielkości piłki golfowej z meteorytu Murchison, chciałem sprawdzić, czy w mieszance substancji organicznych meteorytów jest coś podobnego do lipidów, być może rzucając światło na to, jak życie stało się komórkowe.

We wcześniejszych badaniach często używałem mieszaniny chloroformu i metanolu do ekstrakcji lipidów z różnych materiałów biologicznych, takich jak czerwone krwinki, chloroplasty, mitochondria, a nawet żółtka jaj – ostatni jest bogatym źródłem fosfolipidu zwanego lecytyną. A w 1975 roku spędziłem urlop naukowy w laboratorium Aleca Banghama, który w latach 60. XX wieku, pracując w instytucie badawczym w pobliżu Cambridge w Anglii, odkrył, że lecytyna może spontanicznie składać się w błoniaste worki lub pęcherzyki. nazywać się liposomami. Teraz zastosowałem mieszaninę chloroformu i metanolu, aby wyizolować związki z próbek kamienia Murchisona, a następnie zastosowałem procedurę chromatograficzną, aby oczyścić te, które mogą być zdolne do samoorganizacji w membrany. Lewy panel na rysunku na stronie 71 pokazuje, co się stało, gdy kilka mikrogramów ekstraktu zostało wysuszonych na szkiełku mikroskopowym i wystawionych na działanie wody, aby symulować cykle zwilżania i suszenia, które były częste na wczesnej Ziemi. Wyniki były bardzo ekscytujące. W mieszaninie były obecne nie tylko cząsteczki podobne do lipidów, ale łatwo składały się one w pęcherzyki wielkości komórki.

Kiedy przeanalizowaliśmy mieszaninę organicznych substancji meteorytowych, odkryliśmy, że niektóre związki były krótkołańcuchowymi kwasami tłuszczowymi, cząsteczkami podobnymi do mydła, które mają ogon złożony z 9 do 13 atomów węgla. Oznaczało to, że do przeprowadzania eksperymentów nie potrzebowaliśmy już materiałów z cennych meteorytów; mogliśmy zbadać właściwości czystych związków zakupionych od firm chemicznych. Zaczęliśmy od kwasu dekanowego, 10-węglowego kwasu tłuszczowego, i odkryliśmy, że łatwo wytwarzał on pęcherzyki podobne do tych wytwarzanych przez ekstrakty z meteorytów. Kolejnym pytaniem było, czy takie przedziały mogłyby otoczyć większe cząsteczki w celu wytworzenia protokomórek, które są definiowane jako zamknięte w kapsułkach układy cząsteczek – takich jak RNA – które mają potencjał do działania jako katalizatory i nośniki informacji genetycznej. Okazuje się to tak proste, że można to zrobić na szkolnym festynie naukowym. Jeśli mikroskopijne pęcherzyki zostaną zmieszane z dużymi cząsteczkami, takimi jak białka lub kwasy nukleinowe, a następnie poddane cyklowi sucho-mokro, około połowa dużych cząsteczek trafia do pęcherzyków. Świecące pęcherzyki lipidowe pokazane w prawym panelu mikrofotografii składają się z kwasu dekanowego otaczającego cząsteczki DNA.

Najważniejsze jest to, że protokoły są bardzo łatwe do wyprodukowania w prostych procesach samodzielnego montażu. Wynika z tego, że takie struktury powinny również występować w środowisku prebiotycznym.

Trzeci kamień milowy: synteza polimerów
Całe dzisiejsze życie używa enzymów do katalizowania syntezy polimerów. I prawie wszystkie polimerowe cząsteczki życia, w tym białka i kwasy nukleinowe, są syntetyzowane z monomerów, które są aktywowane chemicznie – to znaczy zyskują energię do polimeryzacji – poprzez złożone procesy metaboliczne, które wydobywają z każdego odpowiednik cząsteczki wody. Rybosomy łączą aktywowane aminokwasy poprzez wiązania peptydowe w celu wytworzenia białek, a enzymy zwane polimerazami katalizują tworzenie wiązań estrowych między aktywowanymi nukleotydami w celu wytworzenia kwasów nukleinowych.

Nic tak skomplikowanego nie mogło się wydarzyć przed narodzinami życia, ale wiele prostszych reakcji może również wytworzyć interesujące polimery. Na przykład James Ferris z Rensselaer Polytechnic Institute w Nowym Jorku wykazał, że minerał ilasty zwany montmorylonitem promuje syntezę polimerowego RNA z aktywowanych nukleotydów. Powierzchnie mineralne adsorbują i porządkują nukleotydy, które następnie łączą się w polimery. Co więcej, po uformowaniu się cząsteczek RNA mogą one przejść rodzaj ograniczonego procesu replikacji, który nie wymaga enzymów. Leslie Orgel i jego współpracownicy w Salk Institute wykazali w latach 80., że chemicznie aktywowane monomery nukleotydowe ustawiają się w linii na syntetycznych matrycach RNA przez parowanie zasad Watsona-Cricka, tak jak w podwójnej helisie DNA, a następnie polimeryzują w drugą nić RNA .

Nowatorskie obserwacje Orgela, Ferrisa i innych wyraźnie sugerowały, że coś takiego jak RNA mogło być pierwszym polimerem powiązanym z procesami życiowymi. Dodatkowych dowodów dostarczył Thomas Cech z University of Colorado i Sidney Altman z Yale, którzy odkryli, że pewne typy RNA mają właściwości katalityczne, za co wspólnie otrzymali Nagrodę Nobla. Takie cząsteczki RNA, obecnie nazywane rybozymami, mogą tworzyć i rozrywać określone wiązania chemiczne w obrębie własnej struktury, a nie zależeć od enzymów białkowych. Odkrycie katalitycznego RNA skłoniło nagrodzonego Nobla chemika Waltera Gilberta z Harvardu do zaproponowania świata RNA, zakładając, że życie nie zaczęło się od złożonych systemów DNA, RNA i białek, które charakteryzują dzisiejsze życie. Zamiast tego cząsteczki RNA mogłyby służyć jako katalizatory, a także przechowywać i przekazywać informacje genetyczne. Koncepcja świata RNA dominuje w obecnym myśleniu o pochodzeniu życia. Grupy badawcze kierowane przez Geralda Joyce'a z Scripps Research Institute, Davida Bartela z Whitehead Institute i Petera Unraua z Simon Fraser University próbują włączyć RNA do samoreplikującego się systemu cząsteczek. Co istotne, często wykorzystują one technikę, w której zasady ewolucyjne są wykorzystywane do wybierania określonych aktywności katalitycznych z mieszanin zawierających biliony różnych cząsteczek RNA.

To prowadzi nas do kolejnego kamienia milowego.

Starsze niż ziemia!: Kiedy autor wyekstrahował pewne molekuły z meteorytu sprzed pięciu miliardów lat i pozwolił im zamoczyć, połączyły się one w pęcherzyki przypominające komórki (po lewej). Odkrył również, że kwas dekanowy, kwas tłuszczowy obecny w meteorycie, łatwo tworzy podobne pęcherzyki – zdolne do enkapsulacji DNA (świecące, po prawej).

Czwarty kamień milowy: ewolucja katalizatorów
Czy informacja genetyczna może w jakiś sposób pojawić się w przypadkowych mieszaninach, zasadniczo przypadkowo? Jeśli odpowiedź brzmi „nie”, to mamy kłopoty, ponieważ ci z nas, którzy pracują nad pochodzeniem życia, twierdzą, że dokładnie to wydarzyło się cztery miliardy lat temu, kiedy pierwsze formy życia wyłoniły się ze sterylnej mieszanki minerałów, gazy atmosferyczne i rozcieńczone roztwory związków organicznych. Aby odpowiedzieć na to pytanie, powrócę do klasycznego eksperymentu, który David Bartel i Jack Szostak opublikowali w 1993 roku, kiedy Bartel był doktorantem w laboratorium Szostaka. Ich eksperyment jest umiarkowanie skomplikowany, ale wynik jest tak ważny, że warto go tutaj wyjaśnić. Celem było sprawdzenie, czy całkowicie losowy układ molekuł może podlegać selekcji ewolucyjnej w taki sposób, aby mogły ewoluować molekuły o właściwościach katalitycznych. Pierwszym krokiem była synteza bilionów różnych cząsteczek RNA składających się z około 300 nukleotydów, ułożonych w losowe sekwencje. Bartel i Szostak doszli do wniosku, że w tych bilionach było kilka rybozymów, które katalizowały reakcję ligacji, w której jedna nić RNA jest połączona z drugą. Opracowali procedurę, która wychwytuje te rzadkie molekuły, nawet jeśli tylko słabo katalizują reakcję. Następnie użyli enzymów do ich wzmocnienia. Amplifikowane sekwencje poddano kolejnej rundzie selekcji i amplifikacji, a proces powtarzano przez 10 cykli.

Wyniki były oszałamiające. Zwiększona aktywność katalityczna zaczęła pojawiać się po czterech cyklach, a po 10 rundach szybkość katalizy była siedmiomilionowa szybkość niekatalizowana! Można było nawet obserwować ewolucję RNA. Kwasy nukleinowe można znakować radioaktywnym fosforanem, a następnie oddzielać i wizualizować techniką zwaną elektroforezą żelową. Mieszanina cząsteczek RNA jest umieszczana na górze żelu i przykładane jest napięcie kilkuset woltów, co powoduje migrację cząsteczek w dół przez żel. Większe cząsteczki nie poruszają się zbyt daleko, więc wyglądają jak pasma w górnej części żelu; mniejsze, szybciej poruszające się cząsteczki tworzą pasma w pobliżu środka i dołu. Na początku eksperymentu nic nie było widać w żelach, ponieważ wszystkie cząsteczki RNA były różne. Ale po trzech cyklach pojawiły się wyraźne prążki, co oznacza, że ​​pewne gatunki katalityczne zostały już wybrane. Wraz z dalszym cyklem, inne gatunki pojawiały się na kilka cykli, a następnie wymarły. Po 10 cyklach przeżyły dwa różne rodzaje RNA, reprezentujące te cząsteczki RNA, które były najskuteczniejsze w katalizacji reakcji ligacji.

Wyniki te pokazują fundamentalną zasadę ewolucji na poziomie molekularnym. Na początku eksperymentu każda cząsteczka RNA różniła się od wszystkich pozostałych, ale potem nałożono przeszkodę selekcyjną w postaci reakcji ligacji, która pozwoliła przeżyć i rozmnażać się tylko niektórym cząsteczkom. W rezultacie specyficzne molekuły katalityczne pojawiły się w procesie ściśle odzwierciedlającym darwinowski dobór naturalny. Wniosek: informacja genetyczna może w rzeczywistości pojawiać się w losowych mieszaninach, o ile mieszaniny zaczynają się od dużej liczby polimerów określonych przez różne sekwencje nukleotydowe, z których można wybrać i amplifikować określone sekwencje o właściwościach katalitycznych. Rozsądne wydaje się stwierdzenie, że podobne procesy selektywne mogły zajść na prebiotycznej Ziemi, kiedy pierwsze formy życia utworzyły się samoistnie w mieszaninie związków organicznych, a następnie zaczęły ewoluować.

Piąty kamień milowy: chemia kombinatoryczna i worki na śmieci
Większość chemików uczy się wykonywać swoje eksperymenty w seriach, jeden dziennie. Ale eksperymenty można również przeprowadzać równolegle z techniką zwaną chemią kombinatoryczną. To podejście jest szczególnie przydatne w przemyśle farmaceutycznym, w którym często konieczne jest eksperymentowanie z dużą liczbą związków w celu optymalizacji reakcji lub testowania nowego leku. Zrobotyzowane urządzenie ładuje setki, a nawet tysiące małych komór reakcyjnych pożądanymi mieszaninami, przy czym każda komora zawiera kroplę, która różni się nieco od pozostałych. Po zakończeniu reakcji komory są indywidualnie testowane pod kątem aktywności.

W moim laboratorium wykonujemy wersję chemii kombinatorycznej, kiedy przygotowujemy liposomy, dodając wodę do kilku miligramów suchego lipidu w kolbie. Powstaje mleczna zawiesina, która zawiera nie tysiące, ale biliony pojedynczych mikroskopijnych pęcherzyków w zakresie wielkości małych bakterii – o średnicy pół mikrometra. Jeśli pęcherzyki są przygotowywane w roztworze zawierającym małe peptydy i krótkie kwasy nukleinowe, takie jak RNA, każdy z pęcherzyków będzie zawierał inny zestaw składników, więc każdy reprezentuje eksperyment mikroskopowy. Pomyślmy teraz o wczesnej Ziemi. Zamiast miligramów lipidów w kolbie, miałby miliardy ton materii organicznej składającej się w ogromną liczbę mikroskopijnych struktur i pół miliarda lat na przeprowadzenie eksperymentu.

Pochodzenie życia można rozumieć metaforycznie jako chemię kombinatoryczną w skali globalnej. Kilka mikroskopijnych eksperymentów musiało zakończyć się sukcesem, co doprowadziło do powstania prymitywnych komórek zdolnych do przechwytywania energii i składników odżywczych w celu wzrostu za pomocą reakcji polimeryzacji. Ewolucja rozpoczęła się, gdy komórki wypełniły ograniczoną niszę i rywalizowały o zasoby. W tym momencie przejęła dobór naturalny, kładąc nacisk na to, jak skutecznie dana komórka może wychwytywać składniki odżywcze w celu wzrostu. Wyobrażam sobie, że gdy zaczęło się silne życie komórkowe, rozszerzyło się wykładniczo. Ziemia, widziana z kosmosu, mogła nawet przez jakiś czas zarumienić się na czerwono lub zmienić kolor na zielony, gdy oceany wypełniły bakterie fotosyntetyczne.

Czy kiedykolwiek odkryjemy kombinację składników, które dały początek życiu? Znowu jestem optymistą. Musimy zastosować to, co wiemy o chemii i fizyce żywych systemów, aby zawęzić możliwości, a następnie być na tyle odważnym, aby faktycznie przeprowadzić pewne eksperymenty. Ale jakich eksperymentów powinniśmy spróbować? Tu może nas prowadzić teoria. Freeman Dyson, jeden z wielkich fizyków teoretycznych naszych czasów, również zainteresował się pochodzeniem życia. W swojej książce Origins of Life Dyson zwięźle podsumowuje to, co ci powiedziałem:

Życie zaczęło się od małych torebek, prekursorów komórek, zawierających małe ilości brudnej wody zawierającej różne śmieci. Losowy zbiór cząsteczek w torbie może czasami zawierać katalizatory, które powodują syntezę innych cząsteczek, które działają jak katalizatory syntezy innych cząsteczek i tak dalej. Bardzo rzadko może powstać zbiór cząsteczek, który zawiera wystarczającą ilość katalizatorów do reprodukcji całej populacji w miarę upływu czasu. Reprodukcja nie musi być precyzyjna. Wystarczy, że katalizatory są utrzymywane w przybliżony sposób statystyczny. Populacja cząsteczek w woreczku reprodukuje się bez dokładnej replikacji. W tym czasie worek może rosnąć przez nagromadzenie świeżych śmieci z zewnątrz, a od czasu do czasu worek może zostać rozbity na dwie torby, gdy jest rzucany przez turbulentne ruchy. Kluczowym pytaniem jest zatem, jakie jest prawdopodobieństwo, że torebka potomna wytworzona z rozszczepienia torebki z samoreprodukującą się populacją cząsteczek sama będzie zawierała samoreprodukującą się populację? Kiedy to prawdopodobieństwo jest większe niż połowa, rodzic rodzi średnio więcej niż jedną funkcjonalną córkę, może wystąpić rozbieżna reakcja łańcuchowa, mnożą się worki zawierające samoreprodukujące się populacje i zaczyna się swoiste życie.

Życie, które zaczyna się w ten sposób, to świat worków na śmieci. To świat małych protokomórek, które metabolizują i rozmnażają się tylko statystycznie. Zawarte w nich cząsteczki nie replikują się dokładnie. Reprodukcja statystyczna jest wystarczająco dobrą podstawą dla doboru naturalnego. Gdy tylko świat worków na śmieci zacznie się od prymitywnej reprodukcji protokomórek, dobór naturalny zacznie działać w celu poprawy jakości katalizatorów i dokładności reprodukcji. Nie byłoby zaskoczeniem, gdyby milion lat selekcji wyprodukował protokomórki z wieloma udoskonaleniami chemicznymi, które obserwujemy we współczesnych komórkach.

Następne życie: ogniwa syntetyczne
Koncepcje teoretyczne, takie jak świat RNA i świat worków na śmieci Dysona, zainspirowały podejścia eksperymentalne, w których układy cząsteczek otoczone błonami są wystarczająco złożone, aby mieć pewne właściwości życia. Ostatecznym celem jest zbudowanie systemu komórkowego, który może wykorzystywać energię do wzrostu w procesie katalizowanej polimeryzacji, replikacji informacji genetycznej i ewolucji. Kilka laboratoriów zainicjowało takie badania i są powody, by sądzić, że cel sztucznego życia może zostać osiągnięty w następnej dekadzie. Opowiem teraz krótką historię badań nad wytwarzaniem sztucznych komórek.

Być może pierwszą rzeczą, którą należy zrozumieć, jest to, że tworzenie systemu molekuł zdolnych do reprodukcji to stara wiadomość. Ponad 50 lat temu Heinz Fraenkel-Conrat i Robley Williams z Berkeley odkryli, że wirus mozaiki tytoniu można rozdzielić na białko płaszcza i RNA. Jeśli te dwa składniki zostały zmieszane razem, zmontowały się ponownie w czynnik zakaźny. Niedawno, w niezwykłym pokazie nowoczesnych metod biologii molekularnej, Jeronimo Cello, Aniko Paul i Eckard Wimmer ze State University of New York w Stony Brook sfabrykowali funkcjonalny genom wirusa polio, łącząc ze sobą setki mniejszych fragmentów, które zostały zsyntetyzowane. przy użyciu technik chemicznych. A dwa lata temu Hamilton Smith i jego koledzy z J. Craig Venter Institute w Rockville, MD, zdołali zsyntetyzować kompletny genom małego gatunku bakterii zwanego Mycoplasma genitalium . Zamieszanie, które to wywołało, wskazuje na to, co spotka pierwsze twierdzenie, że żywa komórka została ponownie złożona ze swoich części.

Synteza genomów wirusowych i bakteryjnych sugeruje, że możliwe są jeszcze bardziej wymagające wytworzenia. Od lat wiemy, że spontaniczne procesy samoorganizacji mogą tworzyć zaskakująco złożone układy funkcjonalnych cząsteczek. Efraim Racker, pracujący na Cornell University, był pionierem w badaniach nad badaniem i rekonstrukcją błon mitochondrialnych w latach 70. XX wieku. Mitochondria to subkomórkowe organelle obecne w większości komórek, aw ich błonach wbudowane są enzymy, które usuwają elektrony z produktów przemiany materii pochodzących z substancji odżywczych, takich jak glukoza. Proces ten nazywa się transportem elektronów, ponieważ elektrony przechodzą następnie przez łańcuch enzymów w błonie mitochondrialnej i są dostarczane do tlenu. Transport elektronów jest ściśle powiązany z drugim procesem transportu, w którym dodatnio naładowane protony pochodzące z wody są wypompowywane na zewnątrz, wytwarzając przez błonę potencjał elektryczny o wartości około 0,2 V. Napięcie to stanowi źródło energii do syntezy trifosforanu adenozyny (ATP), który transportuje energię chemiczną w komórkach, a tym samym napędza większość procesów życiowych. Uniwersalny mechanizm syntezy ATP, obecnie określany jako chemiosmoza, został zaproponowany w 1961 roku przez Petera Mitchella, wybitnego brytyjskiego naukowca, który później prowadził badania w swoim domu w Bodmin w Kornwalii.

Racker i jego uczniowie rozpuścili błony mitochondrialne detergentem zwanym kwasem deoksycholowym. Jednym z jego pierwszych odkryć było to, że błony zawierały enzym, który łączył syntezę ATP z transportem elektronów. Odniósł się do tego jako do czynnika sprzęgającego, ale teraz nazywa się to syntazą ATP. Racker odkrył również, że detergent można usunąć przez dializę – po prostu umieszczając klarowny roztwór w torbie wykonanej z materiału przypominającego celofan i pozostawiając go na noc w rozcieńczonym roztworze soli. Małe cząsteczki detergentu wyciekały z torby, ale większe nie mogły przedostać się przez porowaty materiał. Następnego dnia roztwór był mętny, ponieważ błoniaste pęcherzyki zawierające oryginalne składniki białkowe ponownie się połączyły. Pęcherzyki były w pełni zdolne do reakcji transportu elektronów i syntezy ATP. Była to pierwsza rekonstrukcja bardzo złożonej funkcji biologicznej.

Mniej więcej w tym samym czasie Walther Stoeckenius z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Francisco zainteresował się pigmentowanymi błonami gatunku bakterii zwanego Halobacterium halobium , który żyje w bardzo słonej wodzie. Stoeckenius i Dieter Oesterhelt byli w stanie wyizolować purpurowy pigment – ​​bakteriorodopsynę – i odkryli, że jego funkcją było pochłanianie energii świetlnej i wykorzystywanie jej do transportu protonów przez błonę bakteryjną. Energia gradientu protonowego została następnie wykorzystana do syntezy ATP. Racker i Stoeckenius, obaj członkowie Narodowej Akademii Nauk, zainicjowali następnie rzadką współpracę między dwoma starszymi naukowcami. Wykorzystali metodę dializy Rackera do odtworzenia systemu pęcherzyków błoniastych zawierających tylko pompę protonową fioletowych błon i syntazę ATP mitochondriów. W 1974 roku poinformowali, że pęcherzyki hybrydowe mogą wykorzystywać światło jako źródło energii do syntezy ATP. Ich artykuł dodał masę dowodów, które ostatecznie potwierdziły chemiosmotyczną syntezę ATP, za którą Peter Mitchell otrzymał Nagrodę Nobla w 1978 roku.

Istotą tej krótkiej historii jest to, że zaskakująco złożoną funkcję biologiczną można odtworzyć poprzez samoorganizację rozproszonych składników. Dlaczego nie spróbować odtworzyć całej komórki? Jeśli okaże się to możliwe, być może pomoże nam to rozwikłać, co rozumiemy przez życie, a nawet wyjaśnić główne etapy, które doprowadziły do ​​powstania życia komórkowego.

Pier Luigi Luisi i jego współpracownicy w Zurychu podjęli pierwszą próbę enkapsulacji rybosomów w pęcherzykach lipidowych w 1999 roku, wraz z syntetyczną formą RNA, która nakazała rybosomom włączenie aminokwasu fenyloalaniny do białka. Wytworzono kilka krótkich peptydów, ale dwuwarstwy lipidowe są nieprzepuszczalne dla aminokwasów, więc synteza była ograniczona do tych fenyloalanin, które akurat znajdowały się w pęcherzykach. Vincent Noireaux i Albert Libchaber z Rockefeller University znaleźli sprytne rozwiązanie problemu przepuszczalności: dlaczego nie dodać kanału do podwójnej warstwy lipidowej pęcherzyków? W 2004 roku poinformowali, że udało im się zawrzeć kompletny system tłumaczeń odizolowany od E coli , wraz z informacyjnym RNA, który kieruje rybosomalną syntezą białka zielonej fluorescencji (GFP) i hemolizyny, białka, które służy jako kanał umożliwiający przedostawanie się zewnętrznie dodanych aminokwasów i ATP do pęcherzyków. System działał aż cztery dni, a pod koniec okresu inkubacji pęcherzyki świeciły na zielono z nagromadzonego GFP. Tetsuya Yomo i jego grupa badawcza z Uniwersytetu w Osace poszli o krok dalej z podobnym zamkniętym systemem translacji, w którym gen GFP jest obecny w nici DNA. Nazywają swój system kaskadą genetyczną, ponieważ gen GFP jest transkrybowany do informacyjnego RNA, które następnie kieruje syntezą białka.

Te zamknięte w kapsułkach systemy translacji wykazują fundamentalną właściwość życia: wykorzystują informację genetyczną do syntezy białka, ale tylko kilka specyficznych białek jest produkowanych, a wszystko inne pozostaje. Aby były naprawdę żywe, protokomórki potrzebowałyby nici DNA z genami dla ponad 200 różnych białek i rodzajów RNA, w tym genów enzymu polimerazy, aby DNA mogło być replikowane. Enzymy, które katalizują syntezę lipidów, również muszą być obecne, ponieważ granica błony musi rosnąć. Białka transportowe muszą być włączone do dwuwarstwy lipidowej; w przeciwnym razie pęcherzyki nie mają dostępu do zewnętrznych źródeł składników odżywczych i energii. Należy również wprowadzić cały zestaw procesów regulacyjnych, aby cały ten wzrost był skoordynowany. Wreszcie, gdy pęcherzyki osiągną około dwukrotność swojej pierwotnej wielkości, muszą podzielić się na komórki potomne, które dzielą pierwotną informację genetyczną.

Wynika z tego, że nawet najprostsze dzisiejsze życie jest zdumiewająco złożone i nie mogło powstać na wczesnej Ziemi z pełnym zestawem setek genów. Musiało istnieć coś prostszego – rodzaj życia na rusztowaniu, które zostało pozostawione w ewolucyjnych szczątkach kilka miliardów lat temu. Biorąc to wszystko pod uwagę, jakie jest prawdopodobieństwo, że spełni się ostateczna obietnica biologii syntetycznej – że uda się stworzyć sztuczną wersję prymitywnej żywej komórki? Najlepszym rozwiązaniem jest prawdopodobnie rybozym, który katalizuje własną całkowitą syntezę z ATP, UTP, GTP i CTP – czterech monomerów nukleotydowych RNA – przy użyciu informacji genetycznej zakodowanej w jego strukturze. Jeśli komuś się powiedzie, będziemy mieli do dyspozycji podstawową właściwość, której do tej pory brakuje w modelach sztucznych komórek: reprodukcję samego katalizatora. Mając taki rybozym, wiemy już, jak włączyć go do systemu pęcherzyków lipidowych, które mogą rosnąć wraz z rybozymem i umożliwiać nukleotydom odżywczym wnikanie do komórki w celu wspomagania wzrostu. Kapsułkowane rybozymy będą miały zdolność ewolucji, co 15 lat temu wykazali Bartel i Szostak. Krótko mówiąc, system będzie żył.

A potem co się dzieje? Oczywiście będą nagłówki; podręczniki zostaną przepisane; a wczesnym rankiem kogoś prawdopodobnie obudzi telefon ze Sztokholmu. Ale po tym wszystkim hullabaloo zamiera; ktoś inny zapyta: No i co z tego? To samo pytanie można było zadać, gdy w 1953 roku opublikowano strukturę podwójnej helisy DNA. Skala odkrycia była widoczna dopiero po latach. Myślę, że pierwszy system molekuł zdolnych do samoreprodukowania się również będzie początkowo wydawał się ćwiczeniem akademickim. Ale żeby spojrzeć na to z właściwej perspektywy, przypomnijmy, że żywność, antybiotyki, olej, drewno, metan i wodór są produkowane przez żywe komórki powstałe w wyniku ponad trzech miliardów lat ewolucji. Myślę, że kolejna rewolucja w technologii rozpocznie się, gdy syntetyczne funkcje życia będą mogły być wykonywane przez uproszczone wersje komórek, które są projektowane na podstawie planów, a nie poprzez ewolucję.

David Deamer jest profesorem naukowym inżynierii biomolekularnej na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Cruz. Obecnie pisze książkę o pochodzeniu życia, która ma zostać opublikowana przez University of California Press.

ukryć